无膜光学麦克风，听见最宽范围的声音

声学是一个小量的世界。在日常办公室谈话中，人类耳膜的运动大约是0.1 μm。令人印象深刻的是，最先进的微机电系统技术意味着，即使是1美元的手机麦克风，现在也可以分辨出氢原子直径1/500的膜运动。

因此，当试图用光学手段测量声音时，人们面临着苛刻的技术规范。一种常见的方法是光学检测悬臂梁或反射膜的声诱导机械运动。这个想法与共产主义时代的间谍电影有关，在电影中，特工可以通过光束的偏转来探测窗户的运动，从而偷听另一个房间里的谈话。实际上，这个想法在更早的时候就已经实现了。

早在1880年，英国著名发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)就利用反射膜在阳光照射下的偏差，将语音转化为电信号。然而，基于移动机械部件(如膜)的麦克风——无论是在电气或光学设备中——都有局限性，因为它们受到相关结构的机械性能的影响，这些结构表现为耦合的弹簧-质量系统。例如，含有膜或机械变形压电材料的麦克风具有几个不同的共振频率。阻尼系统可以提高器件频率响应的线性度，但代价是降低灵敏度。

虹科提供一种新的声学传感器系列，其中声压波由一个微型Fabry-Pérot ettalon纯光学检测。这个标准爪是一个由两个平行的毫米大小的半透明镜子组成的小干涉腔(图1)。传感器的新奇之处在于，它不像人们可能期望的那样，通过感应腔镜的运动或变形来工作。相反，它的工作原理是感知腔内声音传播介质折射率的微小变化。一个1mw的光束，从一个1550nm的激光二极管发射，在连续波模式下，通过光纤发送到Fabry-Pérot标准具。当腔内的压力发生变化时，透射(和反射)光的强度也相应地被调制。由于使用单一光纤的简单传感器设置是许多应用的首选，因此可以监测反射光。在普通光纤中进出传感器头的光束使用光学环行器进行分割，因此可以监测来自传感器的反射光。

无膜光学麦克风。该装置的原理图和操作原理，其中声波或超声波信号通过修改Fabry-Pérot标准器内介质的折射率进行光学检测。

利用电反馈电流将激光发射波长稳定到光腔中。这种稳定性对于避免由于波长的微小偏移而导致信号强度的变化很重要，这种变化可能被误认为是腔内折射率的变化。此外，环境温度或静压变化可以得到补偿，因为与声学事件相比，它们通常发生在更慢的时间尺度上。

幸运的是，因为在声学中，人们只对压力的交变分量感兴趣，而不关心静压，所以可以使用慢速控制电路。温度、环境压力甚至激光漂移等缓慢变化的量都被排除在方程之外。在平衡读出的帮助下，可以达到量子射噪声水平。在20khz带宽内，脉冲噪声电流约为1na，虽然很低，但对这种声光换能器构成了基本限制。

要解决的折射率变化非常小：在标准条件下(室温，环境压力)，如果压力变化1 Pa，空气的折射率变化约3 × 10-9(参考5)。然而，从声学角度来看，1 Pa的交变压力(~1 × 10-5的环境压力)已经相当大了;它大致相当于有人在你耳边几厘米外大喊大叫的水平。因此，一个高性能的麦克风需要解决远低于1 Pa的压力。事实上，无膜光学传声器可以实现令人印象深刻的压力分辨率能力。折射率低于10-14可以检测到6。这对应于小到1 μPa的压力变化(标准化为1- hz带宽)。具有同等灵敏度的最先进的声学计量电容式传声器应该是直径1/8英寸的薄膜，因为“传统”声学传声器的灵敏度随尺寸而变化。

虽然无膜光学麦克风不受这些尺寸限制，它还具有更明显的好处：因为它的反射镜是如此的小而坚硬，它们的机械共振没有可测量的影响。因此，基于这一原理的麦克风可以从次声(从大约5 Hz开始，激光漂移开始占主导地位)到1 MHz的超声频率具有非常平坦的频率响应。频率响应的上限实际上是由介质本身设定的，因为空气的吸收会强烈地抑制声音的传播。事实上，在空气中1-MHz声波信号的衰减是160 dBm-1的数量级。

有趣的是，换能器不仅能在空气中工作，还能在液体中工作。我们可以假定液体在第一近似下是不可压缩的，但水的折射率比空气(如果与真空相比)高出1000倍以上，这有助于弥补灵敏度的损失。如果在水或其他液体中使用，换能器的工作频率可达50 MHz，其限制是由声波接近激光束直径的尺寸8决定的。此时，声波波长变得非常短，激光束内部同时存在压力最大值和最小值，换能器将不会产生输出信号。

另一个有趣的特征是光学传声器的脉冲响应，因为无惯性换能器能够更好地成像狄拉克脉冲(一个非常尖锐的时间尖峰)。这对于超声检测特别有意义，因为传统的压电换能器通常被设计成高谐振以达到所需的灵敏度。这不仅会导致窄窄的带宽，而且还会导致共振引起的振铃，在这种振铃中，短声脉冲会导致脉冲延长50倍或更多。

光学麦克风具有宽探测范围，不受背景噪声影响

因此，无膜光学传声器技术在无损检测等超声计量领域的应用尤其具有吸引力。多年来，在不引起损伤的情况下确定部件的机械完整性的方法在各个行业中都至关重要。为了在制造过程中进行全面的质量控制或在役缺陷评估和监控，在过程中牺牲测试对象是不合适的。这种检查对于海军、航空航天和汽车工业以及建筑行业尤为重要，因为这些行业的材料故障可能危及人身安全。

在所有这些行业中，对坚固和轻量化结构的渴望导致了纤维增强复合材料的采用，特别是近年来碳纤维复合材料。与金属相比，它们通常具有复杂的层状结构，具有各向异性的材料性质，并且需要可靠地识别各种可能的缺陷类型。因此，开发适用于这些材料的无损检测技术是非常重要的，最好能实现高度自动化，以节省成本并提高检测速度。

缺陷检测的一种方法是使用敏感的、高共振的、聚焦的压电超声换能器进行超声测量。然而，如上所述，高谐振换能器在脉冲检测期间振荡许多周期，导致“死区”显著增加。该术语表示测试对象的近表面区域，其中由于主要脉冲、来自样品表面的反射和由缺陷的后向散射贡献的实际信号之间的重叠，使得缺陷检测变得不可能。虹科目前正致力于利用其光学传声器技术进行单边无损测试(图2)，其优点是无共振响应和大大减少死区。

用光学传感器获得的有内部缺陷的碳纤维复合材料板的超声扫描

超声波技术另一个有趣的应用是工业过程控制。尽管许多工业过程，如切削和机械加工，会产生大量可听到的噪音，但它们也会产生富含有用信息的超声波频谱。这可能是一个快速旋转的钻头，产生特定的声波频率和相应的泛音，或者，举另一个例子，热蒸发过程的声发射。进一步的例子可以在激光焊接中找到，其中发射了高达MHz范围的高超声波频率。

光学麦克风用于工业过程控制

在后一种情况下，几百kHz范围内特定光谱成分的振幅与激光焊接的穿透深度紧密对应，这是一个与行业密切相关的参数，但很难测量。使用摄像机的光学监控系统很常见，但通常需要复杂的数据处理来提取有价值的信息。麦克风的数据流更易于管理，分析也相对容易，至少对于某些应用来说是这样。

声学过程监测并不新鲜，但是环境噪声(在工业环境中很可能总是存在)会极大地损害声学监测系统的预测性能。转到高超声波频段(300到900千赫)可以使监测在统计上更加可靠，因为在这些频率下环境噪声大大降低。此外，空气在这些高频率下的衰减可以防止从整个生产设施的噪声源设置的干扰。

虽然这种无膜光学麦克风不太可能在音乐录音棚中特别有用，但在某些情况下，它可以有力地帮助传统的声学计量学。由于传感器耦合到1550纳米单模光纤，因此全光传感器头不受强电磁干扰的影响。但电容式声波传感器或压电换能器却不是这样，因为它们的输出信号通常很弱(通常只有几毫伏)，在恶劣的环境中，它们往往会在电缆上受到干扰。例如，虹科超声传感器已被一家奥地利电力公司用于测量高压电力线发出的电晕噪声:光学传感器安装在距离传输380,000 V的电缆仅30厘米的地方。

另一个部署光学换能器的苛刻实验环境是欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器(大型强子对撞机的加速器)的声学监测。在这里，在加速器隧道中安装了两个传感器，以研究质子撞击对粒子准直器颚状材料的损伤(图3)。由于大型强子对撞机中的质子速度极快，非常接近光速，目前它们的能量达到6.5 TeV (~1 μJ)，而且由于许多质子束同时在加速器环中运动，总能量超过100 MJ。

显然，质子与隧道管道孔径的不必要碰撞可能导致重大损害。准直系统通过小间隙的准直钳口来保护隧道管孔径。在受控条件下，在专门的材料测试中，有目的地用质子束轰击各种不同的金属合金，以评估它们的鲁棒性。目标容器向周围隧道空气中发射的声压级可以与冲击损伤相关联，是一种有用的诊断工具。加速质子的轫致辐射导致恶劣的环境，损害了传统传感器的功能。将光学传感器头放置在撞击位置附近，并使用160米长的光纤连接到远程定位的激光和探测单元，使测量成为可能。

综上所述，无膜光学传声器技术现在在几个不同的应用中展示了它的实用性。宽频率范围的操作，高灵敏度和毫米大小的传感器尺寸的结合，使该技术成为空气和液体声学测量中传统超声换能器的有趣替代品。

审核编辑 黄宇